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燃料电池电堆:产业核心环节,国产化初见成效
2018-4-28
来源:未知
点击数: 3343          作者:未知

  • 2017产业元年,中国燃料电池汽车产量达到千辆

    2017年是中国燃料电池产业化的元年,部分地区开展小规模的燃料电池汽车运营,截止目前中国燃料电池汽车数量达到1000辆左右,佛山和北京已有燃料电池公交大巴运行,京东、申通等物流公司开始试用燃料电池物流车。

    2018年国内燃料电池汽车有望突破3000-5000台规模,中国燃料电池开始令人振奋的高速发展阶段。

    路径明确:商用车带动加氢站建设,降低氢气与燃料电池成本

    中国燃料电池汽车发展路径明确:通过商用车发展,规模化降低燃料电池和氢气成本,同时带动加氢站配套设施建设,后续拓展到私人用车领域。

    优先发展商用车的原因在于: 一方面公共交通的平均成本低,而且能够起到良好的社会推广效果,形成规模后带动燃料电池成本和氢气成本下降;另一方面商用车行驶在固定的线路上且车辆集中,建设配套的加氢站比较容易。

    当加氢站数量增加、氢气和燃料电池成本降低时,会支撑更多燃料电池汽车。

    燃料电池多地开花,20省市推动产业发展

    全国以富氢优势、弃电较多或者产业领先为代表的地区重视燃料电池发展,多地市兴建氢能产业园区,氢能小镇和产业集群等,推动燃料电池公交、物流车示范运营,截至目前超过20省市明确推动氢燃料电池产业发展。

    目前仅上海、盐城、武汉、佛山和苏州四城规划显示,到2020年燃料电池汽车数量近1万辆。

    电堆是燃料电池最关键部件,性能满足商业化需求

    电堆是最关键部件

    电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合构成。将双极板与膜电极交替叠合,各单体之间嵌入密封件,经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢,即构成燃料电池电堆。

    电堆是发生电化学反应场所,燃料电池动力系统核心部分。电堆工作时,氢气和氧气分别由进口引入,经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板,经双极板导流均匀分配至电极,通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。

    在燃料电池产业链中,电堆是处于中游核心环节。

    催化剂、质子交换膜、气体扩散层组成膜电极和双极板构成电堆的上游,电堆与空压机、储氢瓶系统、氢气循环泵等其它组件构成燃料电池动力系统,下游应用对应交通领域和备用电源领域,主要是客车、轿车、车、固定式电源和便携式电源等。

    电堆性能达到商业化,铂金不是瓶颈

    目前燃料电池汽车在速度、加速时间和续航均满足日常使用,商业化瓶颈主要是在耐久性、低温启动和铂金需求方面,目前电堆性能达到商业化需求。

    在耐久性方面,丰田和新源动力轿车用电堆寿命超5000h,BallardFCvelocity-HD6燃料电池已经达到超过25000小时时间的耐久性记录,已经满足日常乘用车和商用车使用需求。

    轿车用电堆耐久性达到5000h,普通乘用车用户日均行驶2h,轿车可使用7年;商用车电堆耐久性达到25000h,一辆商用车日均行驶8h,使用时间可达到8年。

    温性能方面:目前电堆可以应对全球绝大部分地区和气候,丰田燃料电池汽车和本田燃料电池汽车分别实现了-37°C和-30°C启动;即使在冬天,燃料电池汽车依然可以满足日常使用。

    铂金需求方面:目前本田电堆铂金载量已经低至0.12g/kg,铂载量还处于持续下降过程中,铂金不会成为燃料电池发展瓶颈。

    以本田Clarity为例,单辆燃料电池车催化剂耗铂已经降至10g左右,而单辆柴油车需要5g做铂金作为尾气净化催化剂,目前燃料电池催化剂铂金用量已经降至产业化水平,而且处于持续下降中,不会引起铂金需求短缺。

    假设到2025年单车铂载量5g计算,燃料电池汽车100万辆计算,铂金需求量5吨,相对2017年铂金用量244吨,边际增量只有2%;考虑燃料电池铂载量持续下降和非贵金属催化剂的发展,燃料电池汽车规模化的资源瓶颈并不存在。

    国内电堆实现量产,成本进入下行通道

    我国掌握燃料电池关键材料、部件电堆的关键技术

    经过863计划,我国初步掌握了燃料电池关键材料、部件电堆的关键技术,基本建立了具有自主知识产权的车用燃料电池技术平台,燃料电池在国内外开展了多次示范运行。

    2015年,我国燃料电池电堆性能达到:-20°C启动-40°C存储;寿命3000h;功率密度2kW/L、比功率1.5kW/kg;能量效率55%。

    2016年11月,国家重点研发计划“新能源汽车”重点专项“燃料电池基础材料与过程机理研究”项目在大连启动。

    项目由中国科学院大连化学物理研究所牵头,21家单位共同参与,在催化剂、质子交换膜、金属双极板、膜电极等方面开展基础性研究,同时对燃料电池低温环境适应性、流场结构、水管理过程等方面进行优化设计,掌握批量制备燃料电池所需电化学材料关键技术,项目指标达到DOE2020年目标。

    国内电堆实现量产:自主研发和引进技术路线并举

    目前国内燃料电池电堆正在逐渐起步,电堆产业链企业数量逐渐增长,产能量级提升,到2018年国内电堆产能超过40万kW。

    目前国内电堆厂商主要有两类:(1)自主研发,以新源动力和神力科技为代表;(2)引进国外成熟电堆技术,以广东国鸿为代表,其余企业有南通百应、嘉兴爱德曼等。

    新源动力长期致力于燃料电池研发生产,公司现有产能1.5万kW/年。

    其开发的HYMOD®-300型车用燃料电池电堆模块,采用高稳定性、高性能的“膜基催化层膜电极设计”和高可靠性的“复合双极板结构”,达到车用燃料电池5000小时的耐久性,实现电堆-10°C低温启动,-40°C储存。

    广东国鸿于2016年5月引进加拿大巴拉德签署引进9SSL电堆生产线技术,并在国内建设年生产2万台电堆(30万kW)和5000套系统的生产线,生产线于2017年7月1日正式投产。

    9SSL系列燃料电池电堆是为交通领域设计的液冷式电堆产品,能够满足车用车载动态特性要求。

    它具有良好的单电池均一性,工作寿命超过2万h,最长寿命超过2.5万h。巴拉德9ssl电堆的9SSL系列电堆产品自2009年生产至今已累计生产电堆超过10,000台,部署量达到320MW,产品的成熟性已经过充分的市场验证。

    ▌电堆成本进入下行通道

    电堆成本在燃料电池汽车中占比最高。目前燃料电池电堆实现小规模放量和初步国产化,电堆成本已经实现有力下降。随着规模放大以电堆产业国产化,电堆成本预计可降60%。

    具体到各个环节来看,气体扩散层降本主要由规模化效应驱动;而质子交换膜、催化剂和双极板降本则需国内工艺进步和规模化加以推进。

    电堆产业链国产化进行时

    国内电堆产业链雏形初具

    国内燃料电池电堆产业链初成雏形,上游厂商齐全,膜电极、质子交换膜和双极板具备国产化能力,气体扩散层有小批量供应,催化剂具备研发能力。

    国内膜电极具备产业化能力,有序化膜电极是工艺发展趋势

    膜电极(membrane electrode assembly,MEA)是质子交换膜燃料电池发生电化学反应的场所,是传递电子和质子的介质,为反应气体、尾气和液态水的进出提供通道,膜电极是质子交换膜燃料电池的心脏。膜电极通常由5部分组成,即中间的质子交换膜、两侧的阳极催化层和阴极催化层,最外侧的阳极气体扩散层和阴极气体扩散层。[转载于搜狐财经]


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